C++ CryptoPP使用AES加解密

Crypto++ (CryptoPP) 是一个用于密码学和加密的 C++ 库。它是一个开源项目，提供了大量的密码学算法和功能，包括对称加密、非对称加密、哈希函数、消息认证码 (MAC)、数字签名等。Crypto++ 的目标是提供高性能和可靠的密码学工具，以满足软件开发中对安全性的需求。

高级加密标准（Advanced Encryption Standard，AES）是一种对称密钥加密标准，用于保护电脑上的敏感数据。AES是由美国国家标准与技术研究院（NIST）于2001年确定的，它取代了过时的数据加密标准（Data Encryption Standard，DES）。

以下是AES加密算法的主要特点和概述：

  1. 对称密钥算法： AES是一种对称密钥算法，意味着相同的密钥用于加密和解密数据。这就要求通信双方在通信前共享密钥，并确保其保密性。
  2. 分组密码： AES将明文数据分成固定大小的块（128比特），然后对每个块进行独立的加密。这个固定大小的块称为分组。AES支持多种分组长度，包括128比特、192比特和256比特。
  3. 轮数： AES加密算法的安全性与其轮数相关。轮数表示对数据块的处理循环次数，不同密钥长度的AES使用不同数量的轮数。通常，128比特密钥使用10轮，192比特密钥使用12轮，256比特密钥使用14轮。
  4. 密钥长度： AES支持多种密钥长度，包括128比特、192比特和256比特。密钥长度的选择直接影响加密算法的安全性。
  5. SubBytes、ShiftRows、MixColumns和AddRoundKey： 这些是AES加密算法中的四个主要操作，它们通过多轮迭代来加密数据。SubBytes和ShiftRows引入非线性性，MixColumns和AddRoundKey提供了扩散和混淆。
  6. 强安全性： AES被广泛认为是一种安全、可靠的加密算法。它经过广泛的密码分析和评估，并且在许多应用中得到了广泛的应用，包括加密通信、文件加密和硬件加密。

总体而言，AES是一种高效、安全且广泛应用的加密算法，适用于多种应用场景。其在加密强度和性能之间取得了良好的平衡，因此成为许多信息安全应用的首选算法。

使用AES算法

AES（Advanced Encryption Standard）广泛应用于保护敏感数据的加密和解密过程。以下是AES算法的概述：

1. 对称加密算法：

AES是一种对称加密算法，这意味着加密和解密都使用相同的密钥。密钥是保护数据安全的关键，因此对称加密算法需要确保密钥的安全分发和管理。

2. 密钥长度：

AES支持不同长度的密钥，包括128位、192位和256位。密钥长度越长，通常意味着更高的安全性，但也可能导致加密和解密的计算成本增加。

3. 块加密算法：

AES是块加密算法，它按照固定大小的数据块（128位）进行加密。加密和解密的过程都是对这些数据块的操作。

4. 加解密过程：

加密：
  • 数据分块：将明文分成固定大小的数据块（128位）。
  • 初始轮密钥加：将明文和初始密钥进行一次简单的混淆操作。
  • 轮加密：通过多轮的替代和置换操作（SubBytes、ShiftRows、MixColumns、AddRoundKey），对数据块进行混淆。
  • 最终轮：在最后一轮中，省略MixColumns操作。
  • 得到密文。
解密：
  • 初始轮密钥解：将密文和初始密钥进行一次简单的混淆操作。
  • 轮解密：通过多轮的逆操作（InvSubBytes、InvShiftRows、InvMixColumns、AddRoundKey），对数据块进行逆操作。
  • 最终轮：在最后一轮中，省略InvMixColumns操作。
  • 得到明文。

5. 使用场景：

AES广泛用于保护敏感数据，如文件、数据库、网络通信等。它是许多安全协议和标准的基础，包括TLS（安全套接层）、IPsec（Internet协议安全）等。

6. 安全性：

AES被广泛接受并认为是安全可靠的加密算法。密钥长度的选择对安全性至关重要，一般建议使用128位、192位或256位的密钥以满足特定安全需求。

总体而言，AES作为一种高效且安全的对称加密算法，在现代加密通信中扮演着重要的角色。AES的使用需要引入头文件#include <aes.h>其他部分与《C++ 通过CryptoPP计算Hash值》文章中的头文件引入保持一致。

如下AESEncrypt是一个使用AES算法进行加密的函数。下面是对函数的主要步骤的注释：

  1. AES加密对象初始化：
    • 创建AESEncryption对象用于AES加密。
    • 定义AES加密需要的数据块：inBlock（输入数据块）、outBlock（输出数据块）、xorBlock（异或数据块）。
  2. 计算加密数据块大小：
    • 计算需要的加密数据块数量，考虑到原始数据大小可能不是AES块大小的整数倍。
  3. 分配加密后的数据缓冲区：
    • 根据计算得到的加密数据块大小分配内存。
  4. 设置AES加密密钥：
    • 调用SetKey函数设置AES加密密钥。
  5. AES加密过程：
    • 循环处理原始数据块，每次处理一个AES块大小的数据。
    • 将原始数据块拷贝到输入数据块。
    • 使用AES算法进行加密。
    • 将加密后的数据块拷贝到输出缓冲区。
  6. 返回加密结果：
    • 返回加密后的数据缓冲区和大小。

请注意，在实际使用中，要确保释放了分配的内存，以防止内存泄漏。

BOOL AESEncrypt(BYTE *pOriginalData, DWORD dwOriginalDataSize, BYTE *pAESKey, DWORD dwAESKeySize, BYTE **ppEncryptData, DWORD *pdwEncryptData)
{
	// 定义AES加密需要的数据块
	AESEncryption aesEncryptor;
	// 加密原文数据块
	unsigned char inBlock[AES::BLOCKSIZE];
	// 加密后密文数据块
	unsigned char outBlock[AES::BLOCKSIZE];
	// 必须设定全为0
	unsigned char xorBlock[AES::BLOCKSIZE];

	DWORD dwOffset = 0;
	BYTE *pEncryptData = NULL;
	DWORD dwEncryptDataSize = 0;

	// 计算需要的加密数据块大小, 并按 128位 即 16字节 对齐, 不够则 填充0 对齐
	// 商
	DWORD dwQuotient = dwOriginalDataSize / AES::BLOCKSIZE;
	// 余数
	DWORD dwRemaind = dwOriginalDataSize % AES::BLOCKSIZE;
	if (0 != dwRemaind)
	{
		dwQuotient++;
	}

	// 申请动态内存
	dwEncryptDataSize = dwQuotient * AES::BLOCKSIZE;

	// 分配加密后的数据缓冲区
	pEncryptData = new BYTE[dwEncryptDataSize];
	if (NULL == pEncryptData)
	{
		return FALSE;
	}

	// 设置AES加密密钥
	aesEncryptor.SetKey(pAESKey, dwAESKeySize);

	do
	{
		// 初始化数据块
		RtlZeroMemory(inBlock, AES::BLOCKSIZE);
		RtlZeroMemory(xorBlock, AES::BLOCKSIZE);
		RtlZeroMemory(outBlock, AES::BLOCKSIZE);

		// 获取加密块
		if (dwOffset <= (dwOriginalDataSize - AES::BLOCKSIZE))
		{
			RtlCopyMemory(inBlock, (PVOID)(pOriginalData + dwOffset), AES::BLOCKSIZE);
		}
		else
		{
			RtlCopyMemory(inBlock, (PVOID)(pOriginalData + dwOffset), (dwOriginalDataSize - dwOffset));
		}

		// 使用AES算法进行加密
		aesEncryptor.ProcessAndXorBlock(inBlock, xorBlock, outBlock);

		// 将加密后的数据块拷贝到输出缓冲区
		RtlCopyMemory((PVOID)(pEncryptData + dwOffset), outBlock, AES::BLOCKSIZE);

		// 更新数据
		dwOffset = dwOffset + AES::BLOCKSIZE;
		dwQuotient--;
	} while (0 < dwQuotient);

	// 返回数据
	*ppEncryptData = pEncryptData;
	*pdwEncryptData = dwEncryptDataSize;

	return TRUE;
}

如下AESDecrypt是一个使用AES算法进行解密的函数。以下是对函数的主要步骤的注释：

  1. AES解密对象初始化：
    • 创建AESDecryption对象用于AES解密。
    • 定义AES解密需要的数据块：inBlock（输入数据块）、outBlock（输出数据块）、xorBlock（异或数据块）。
  2. 计算解密数据块大小：
    • 计算需要的解密数据块数量，考虑到加密数据大小可能不是AES块大小的整数倍。
  3. 分配解密后的数据缓冲区：
    • 根据计算得到的解密数据块大小分配内存。
  4. 设置AES解密密钥：
    • 调用SetKey函数设置AES解密密钥。
  5. AES解密过程：
    • 循环处理加密数据块，每次处理一个AES块大小的数据。
    • 将加密数据块拷贝到输入数据块。
    • 使用AES算法进行解密。
    • 将解密后的数据块拷贝到输出缓冲区。
  6. 返回解密结果：
    • 返回解密后的数据缓冲区和大小。

请注意，在实际使用中，要确保释放了分配的内存，以防止内存泄漏。

BOOL AESDecrypt(BYTE *pEncryptData, DWORD dwEncryptData, BYTE *pAESKey, DWORD dwAESKeySize, BYTE **ppDecryptData, DWORD *pdwDecryptData)
{
	// 定义AES解密需要的数据块
	AESDecryption aesDecryptor;				
	// 解密密文数据块
	unsigned char inBlock[AES::BLOCKSIZE];		
	// 解密后后明文数据块
	unsigned char outBlock[AES::BLOCKSIZE];			
	// 必须设定全为0
	unsigned char xorBlock[AES::BLOCKSIZE];						
	DWORD dwOffset = 0;
	BYTE *pDecryptData = NULL;
	DWORD dwDecryptDataSize = 0;

	// 计算密文长度, 并按 128位 即 16字节 对齐, 不够则填充0对齐
	// 商
	DWORD dwQuotient = dwEncryptData / AES::BLOCKSIZE;
	// 余数
	DWORD dwRemaind = dwEncryptData % AES::BLOCKSIZE;		
	if (0 != dwRemaind)
	{
		dwQuotient++;
	}

	// 分配解密后的数据缓冲区
	dwDecryptDataSize = dwQuotient * AES::BLOCKSIZE;
	pDecryptData = new BYTE[dwDecryptDataSize];
	if (NULL == pDecryptData)
	{
		return FALSE;
	}

	// 设置AES解密密钥
	aesDecryptor.SetKey(pAESKey, dwAESKeySize);

	do
	{
		// 初始化数据块
		RtlZeroMemory(inBlock, AES::BLOCKSIZE);
		RtlZeroMemory(xorBlock, AES::BLOCKSIZE);
		RtlZeroMemory(outBlock, AES::BLOCKSIZE);

		// 将加密数据块拷贝到输入数据块
		if (dwOffset <= (dwDecryptDataSize - AES::BLOCKSIZE))
		{
			RtlCopyMemory(inBlock, (PVOID)(pEncryptData + dwOffset), AES::BLOCKSIZE);
		}
		else
		{
			RtlCopyMemory(inBlock, (PVOID)(pEncryptData + dwOffset), (dwEncryptData - dwOffset));
		}

		// 使用AES算法进行解密
		aesDecryptor.ProcessAndXorBlock(inBlock, xorBlock, outBlock);

		// 将解密后的数据块拷贝到输出缓冲区
		RtlCopyMemory((PVOID)(pDecryptData + dwOffset), outBlock, AES::BLOCKSIZE);

		// 更新数据
		dwOffset = dwOffset + AES::BLOCKSIZE;
		dwQuotient--;
	} while (0 < dwQuotient);

	// 返回数据
	*ppDecryptData = pDecryptData;
	*pdwDecryptData = dwDecryptDataSize;

	return TRUE;
}

AESEncrypt 函数用于对输入的原始数据进行AES加密，加密使用指定的AES密钥。函数通过参数返回加密后的数据和数据大小。

函数原型：

BOOL AESEncrypt(
    BYTE *pOriginalData,     // [in] 原始数据的指针
    DWORD dwOriginalDataSize, // [in] 原始数据的大小
    BYTE *pAESKey,           // [in] AES加密密钥的指针
    DWORD dwAESKeySize,       // [in] AES加密密钥的大小
    BYTE **ppEncryptData,    // [out] 指向指针的指针，用于存储加密后的数据
    DWORD *pdwEncryptData    // [out] 指向DWORD的指针，用于存储加密后的数据大小
);
  • pOriginalData: 指向要加密的原始数据的指针。
  • dwOriginalDataSize: 原始数据的大小。
  • pAESKey: 指向用于AES加密的密钥的指针。
  • dwAESKeySize: AES加密密钥的大小。
  • ppEncryptData: 指向指针的指针，用于存储加密后的数据。该指针需要在函数外释放分配的内存。
  • pdwEncryptData: 指向DWORD的指针，用于存储加密后的数据大小。

函数返回一个BOOL值，表示操作是否成功。如果函数返回TRUE，则表示加密成功，否则表示加密失败。

AESDecrypt 函数用于对输入的加密后的数据进行AES解密，解密使用指定的AES密钥。函数通过参数返回解密后的数据和数据大小。

函数原型：

BOOL AESDecrypt(
    BYTE *pEncryptData,      // [in] 加密后的数据的指针
    DWORD dwEncryptDataSize, // [in] 加密后的数据的大小
    BYTE *pAESKey,           // [in] AES解密密钥的指针
    DWORD dwAESKeySize,       // [in] AES解密密钥的大小
    BYTE **ppDecryptData,    // [out] 指向指针的指针，用于存储解密后的数据
    DWORD *pdwDecryptData    // [out] 指向DWORD的指针，用于存储解密后的数据大小
);
  • pEncryptData: 指向要解密的加密后数据的指针。
  • dwEncryptDataSize: 加密后数据的大小。
  • pAESKey: 指向用于AES解密的密钥的指针。
  • dwAESKeySize: AES解密密钥的大小。
  • ppDecryptData: 指向指针的指针，用于存储解密后的数据。该指针需要在函数外释放分配的内存。
  • pdwDecryptData: 指向DWORD的指针，用于存储解密后的数据大小。

函数返回一个BOOL值，表示操作是否成功。如果函数返回TRUE，则表示解密成功，否则表示解密失败。

调用时通过AESEncrypt加密数据，AESDecrypt则用于解密数据；

void ShowData(BYTE *pData, DWORD dwSize)
{
	for (int i = 0; i < dwSize; i++)
	{
		if ((0 != i) &&
			(0 == i % 16))
		{
			printf("\n");
		}
		else if ((0 != i) &&
			(0 == i % 8))
		{
			printf(" ");
		}

		printf("%02X ", pData[i]);
	}
	printf("\n");
}

int main(int argc, char* argv[])
{
	BYTE *pEncryptData = NULL;
	DWORD dwEncryptDataSize = 0;
	BYTE *pDecryptData = NULL;
	DWORD dwDecryptDataSize = 0;
	char szOriginalData[] = "It’s better to be alone than to be with someone you’re not happy to be with.";

	char szAESKey[] = "ABCDEFGHIJKIMNOP";
	BOOL  bRet = FALSE;

	// 加密
	bRet = AESEncrypt((BYTE *)szOriginalData, (1 + ::lstrlen(szOriginalData)), (BYTE *)szAESKey, ::lstrlen(szAESKey), &pEncryptData, &dwEncryptDataSize);
	if (FALSE == bRet)
	{
		return 1;
	}

	// 解密
	bRet = AESDecrypt(pEncryptData, dwEncryptDataSize, (BYTE *)szAESKey, ::lstrlen(szAESKey), &pDecryptData, &dwDecryptDataSize);
	if (FALSE == bRet)
	{
		return 2;
	}

	// 显示
	printf("原文数据:\n");
	ShowData((BYTE *)szOriginalData, (1 + ::lstrlen(szOriginalData)));
	printf("密文数据:\n");
	ShowData(pEncryptData, dwEncryptDataSize);
	printf("解密后数据:\n");
	ShowData(pDecryptData, dwDecryptDataSize);

	// 释放内存
	delete[]pEncryptData;
	pEncryptData = NULL;
	delete[]pDecryptData;
	pDecryptData = NULL;

	system("pause");
	return 0;
}

运行后对szOriginalData中的数据进行加密，密钥是szAESKey中的长度，如下图所示；

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